基于HFSS 的高速不连续性微带线串扰分析

黄根信，李鹏，李通

（桂林电子科技大学海洋工程学院，广西北海，536000）

0 引言

随着电子产品用户对于微型化、高性能、多功能的要求不断提升，设计高速电路成为应对提升产品性能的重要手段。近年来，集成电路迅速地向高速度和巨大规模方向发展，时钟频率达到几百MHz 乃至GHz，数据率达Gbps 以上，其频谱高端则趋向更高的微波毫米波频率范围，可达几GHz。随着集成电路工作速率的提高，互连线所传输的高速脉冲信号具有从直流至微波、毫米波频段的极为宽阔的频谱[1]。

虽然高频高速电路的到来给电子产品高性能、多功能化带来的便利，但是由于工作频率的不断加大，传统的微带线不能简单地看作金属导线，因在频谱高端对应的波长已与互连结构的尺寸处于同一数量级，信号脉冲在互连线上呈现明显的波动效应[2]。此时，微带线由于传输频率不断加大带来的反射、串扰、时序、同步开关噪声、电磁干扰问题已经极为明显。尤其是不连续性微带线[3]，由于存在拐角使得信号传输带来的反射与串扰存在明显的不确定性。

所谓串扰是一个信号对另外一个信号耦合所产生的一种不受欢迎的能量值，串扰是影响数据传输最严重的因素之一。目前，针对微带线的串扰研究，国内外学者有不少相关文献报道，在国内，王小宁[4]等人采用基于矩量法的电磁仿真软件ADS 研究了微带线走线间距、走线重叠面积、并行长度等对串扰的影响，并提出了抑制串扰的方法；张栋[5]通过比较微带线拐角两端输出信号波形和输入信号波形的相似度来衡量拐角对信号传输特性的影响，引入失真系数的概念进行准确计算，总结出了拐角传输的优良次序；刘琦[6]采用基于有限元法的 HFSS 仿真软件，对PCB 单线反射特性和双线串扰特性进行了研究分析，并根据仿真结果提出了有效的抑制反射和串扰的方法；郑常斌[7]等人分析了PCB 上两平行微带线在不同的频率、并行长度、相隔距离和参考层高度情况下的串扰问题，根据仿真结果总结了串扰强度随微带线的并行长度、相隔距离和离参考层的高度而变化的一般性规律；在国外，Morteza Kazerooni[8]等人提出一种新的减小微带线近端和远端串扰的方法，通过实验比较不同的 DMS-CPMLs结构，最终得到一种减少串扰的最好结构；Yan Dong[9]等人基于有限时域差分法FDTD 研究了T 形微带线之间的串扰，结果表明微带线间的串扰值随间距的增大而减小。

由上述文献可知，对于微带线串扰的研究一直是致力于研究信号传输的学者们重点关注的方向。虽然关于微带线串扰相关的文献报道不少，但是针对于高速不连续性微带线串扰的研究缺极为少见。因此，为了了解不连续性微带线串扰的问题，非常有必要针对其展开系统的研究。本文以不连续性微带线为研究对象，通过建立不连续性微带线的HFSS 三维仿真模型，分析信号频率、微带线厚度、宽度、间距对串扰强度的影响，最后基于研究结果提出了抑制串扰的不连续性微带线设计方法。

1 不连续性微带线串扰仿真模型

本文所研究是不连续性微带线，选取PCB 板上不连续段进行分析，采用三位电磁仿真软件HFSS 建立两条不连续性微带线的串扰仿真模型，图1 所示为该微带线的串扰仿真分析模型。模型的基本仿真参数设置为：整个PCB 板的尺寸为 5.0 mm×5.0mm×1mm(长×宽×高），PCB 材料选用FR-4 为基板，其相对介电常数为4.4，两条微带线宽度均为0.2mm,两条微带线之间的距离取0.2mm,参考面为理想导电平面，其厚度为0.02mm。

图1 不连续性微带线串扰仿真模型

2 基于HFSS 模型的串扰仿真分析

2.1 信号频率对串扰强度的影响

在固定仿真模型结构参数以及边界条件设置不变的条件下，考虑微带线的工作信号频率为1～6GHz 时，两条的不连续性微带线的近端串扰和远端串扰随信号频率变化的仿真分析结果如图2 所示。依据图2 所示结果，发现1～6 GHz 范围内在信号频率的不断增大的情况下，近端串扰S13 总是大于远端串扰S14,且串扰值S13、S14 均大于-25dB ,可见在该频段内高速不连续性微带线之间的串扰极为明显。在1-3GHZ范围内近端串扰S13 与远端串扰S14 均呈现快速增大的现象，可见在该频段内两条不连续性微带线之间的近端串扰S13、远端串扰S14 随信号频率增大的影响较大。在3-6GHZ 内两条不连续性微带线之间的近端串扰S13 与远端串扰S14 慢慢趋于平缓，可见在此范围内信号频率的不断增大对于其串扰的增强有所减缓。从仿真结果来看，信号频率对于高速微带线之间的影响不可忽视，因此在电子组件实际互连结构设计运用中要考虑到信号频率对其串扰的影响。

图2 串扰强度随频率变化趋势

2.2 微带线厚度对串扰强度的影响

为了能够准确分析两条不连续性微带线厚度对近端串扰S13 与远端串扰S14 的影响，在确保仿真模型其他结构参数以及边界条件设置不变的条件下，设置微带线的工作信号频率为1～6GHz 时，选取微带线厚度分别为：0.035mm、0.055mm、0.075mm，分别建立串扰分析仿真模型，得到两条的不连续性微带线的近端串扰S13 和远端串扰S14 随微带线厚度变化的仿真分析结果如图3、图4 所示。

图3 近端串扰S13 随微带线厚度变化趋势

图4 远端串扰S14 随微带线厚度变化趋势

由图3、图4 所示的仿真结果曲线图可知，近端串扰S13随着微带厚度的增大呈现不断增大的趋势，尤其信号频率在6GHZ 时，近端串扰S13 在微带线厚度0.075mm 与0.055mm 时相差接近1dB,可见近端串扰S13 强度受微带线厚度影响较大；而远端串扰S14 微带线厚度的增大未呈现明显的趋势，反而随着微带线厚度变化远端串扰S14 值无明显变化，可见微带线厚度对于远端串扰S14 影响不显著。因此，在电路设计时，可重点观察微带线厚度对于近端串扰S13 的影响；在满足设计条件的情况下，可尽量减小微带线厚度来抑制微带线之间的串扰影响。

2.3 微带线宽度对串扰强度的影响

在确保仿真模型其他结构参数以及边界条件设置不变的条件下，设置微带线的工作信号频率为1～6GHz 时，选取微带线宽度分别为：0.2mm、0.25mm、0.3mm，分布建立串扰分析仿真模型，得到两条的不连续性微带线的近端串扰S13 和远端串扰S14 随微带线厚度变化的仿真分析结果如图5、图6所示。

图5 近端串扰S13 随微带线宽度变化趋势

图6 远端串扰S14 随微带线宽度变化趋势

由图5、图6 所示的仿真结果曲线图可知，随着微带线宽度的增大，近端串扰S13 值呈现明显地逐渐增大的趋势；尤其是当信号频率达到6GHZ 时，微带线宽度每增加0.05mm 使得近端串扰S13 增加将近1dB,可见微带线宽度的增大对于近端串扰的影响较为显著。反之，随着微带线宽度的增大，远端串扰S14 值变化趋势不明显，在频率范围1-6GHz 内，远端串扰S14 值相差不大，可见尽管频率在不断加大微带线宽度对于远端串扰S14 影响不显著。因此，在电路设计时，可重点观察微带线对于近端串扰S13 的影响；在满足设计条件的情况下，可尽量控制微带线的宽度来减小微带线之间的串扰影响。

2.4 微带线间距对串扰强度的影响

在确保仿真模型其他结构参数以及边界条件设置不变的条件下，设置微带线的工作信号频率为1～6GHz 时，选取微带线间距分别为：0.2mm、0.3mm、0.4mm，分布建立串扰分析仿真模型，得到两条的不连续性微带线的近端串扰S13 和远端串扰S14 随微带线厚度变化的仿真分析结果如图7、图8所示。

图7 近端串扰S13 随微带线间距变化趋势 间距变化趋势

图8 远端串扰S14 随微带线

由图7、图8 所示的仿真结果曲线图可知，近端串扰S13与远端串扰S14 均随着两条微带线的间距增大而减小，串扰强度与微带线宽度呈反比的状态。这是因为在其他条件不变的情况下仅增加两条微带线的间距使得微带线之间的互容互感效应明显降低，微带线整体的串扰情况得到减弱。因此，在基板资源以及设计条件允许的情况下，应尽量增大两微带线之间的间距，这样可以有效地减少两微带线之间的串扰。

3 结论

采用三维电磁仿真软件HFSS 对不连续性微带线串扰仿真，分析了信号频率、微带线厚度、微带线宽度、微带线间距、基板材料对串扰强度的影响。结果表明：结果表明：不连续性微带线串扰强度随着信号频率的变化而呈现先增大后趋于平缓的趋势；近端串扰S13 随微带线厚度的增大呈现递增的趋势；近端串扰S13 随微带线宽度增大而增大；微带线拐角为圆弧时串扰最为明显；串扰强度随微带线间距增大而减小。基于研究结果提出了抑制不连续性串扰的方法。

所以在不连续微带线设计时，为了减小两条微带线之间的串扰，应采取相应的措施：（1）在微带线制作条件允许的情况下，应尽量地减小微带线的厚度及宽度；（2）在基板资源满足的情况下，应尽量增大微带线之间的间距。